A Precision Imaging Approach to Assess Photovoltaic- Induced Shading Dynamics in Grapevine

Sintesi Tecnica: Un approccio di imaging di precisione per valutare la dinamica dell'ombreggiamento indotto dal fotovoltaico nella vite

Problematica
La viticoltura negli ambienti mediterranei affronta vincoli crescenti dovuti all'aumento delle temperature e all'eccessiva radiazione solare, che accelerano la maturazione e compromettono la qualità dell'uva. Sebbene i sistemi agrivoltaici (AV) offrano una duplice soluzione di generazione di energia rinnovabile e ombreggiamento parziale, l'ambiente luminoso che creano è altamente dinamico ed eterogeneo dal punto di vista spaziale, guidato dalla posizione del sole, dalla geometria dei pannelli e dall'architettura della chioma. I metodi tradizionali per valutare l'ombreggiamento, come il rapporto di copertura al suolo (GCR) o i proxy di layout statici, non riescono a catturare i regimi luminosi in tempo reale e su scala vegetale sperimentati dalle viti. Inoltre, gli approcci di modellazione esistenti spesso si basano su ipotesi semplificate sulla trasmittanza della chioma che potrebbero non riflettere i complessi e intermittenti pattern di ombreggiamento nelle vigneti commerciali. Esiste una critica necessità di metodi basati sul campo, non distruttivi, per quantificare queste dinamiche di ombreggiamento spazio-temporali e collegarle direttamente alle risposte fisiologiche delle piante.

Metodologia
Lo studio è stato condotto durante la stagione di crescita del 2025 in un vigneto di Vitis vinifera cv. Falanghina nell'Italia meridionale, situato sotto una struttura agrivoltaica con pannelli a film sottile in silicio amorfo. La ricerca ha impiegato un approccio di imaging RGB time-lapse vicino alla superficie combinato con misurazioni radiometriche e fisiologiche.

• Disegno Sperimentale: Sono state monitorate due distinte posizioni della vite: Ombra Agrivoltaica (AVS), caratterizzata da un'elevata esposizione all'ombreggiamento indotto dai pannelli, e Luce Agrivoltaica (AVL), con minore esposizione.
• Sistema di Imaging: Due telecamere time-lapse Brinno BCC2000 sono state installate a 2,0 m dal suolo, orientate ortogonalmente ai montanti dei supporti PV per catturare i lati est (07:00–13:00) e ovest (14:00–18:00) della chioma. Le immagini sono state acquisite ogni ora da luglio a settembre.
• Analisi delle Immagini: È stato implementato un workflow dedicato utilizzando il software photoQuad. Questo ha comportato:
  1. Calibrazione: Utilizzando la larghezza nota del palo di supporto del PV (9,30 cm) per convertire i pixel in distanze reali.
  2. Segmentazione: Applicando un algoritmo di fusione regionale statistica (SRM) multi-scala per distinguere le aree ombreggiate dalla chioma illuminata.
  3. Quantificazione: Calcolo della percentuale di area della chioma ombreggiata all'interno di quadrati definiti (7910,12 cm²) per ogni trattamento.
• Misurazioni Fisiologiche e Radiometriche:
  • Conduttanza Stomatica ($g_s$) e Temperatura Fogliare: Misurate due volte al mese su 18 viti (9 per trattamento) utilizzando un porometro portatile.
  • Radiometria: La radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) continua è stata monitorata sotto i pannelli e in un'area di controllo a pieno sole. I dati spettrali (PPFD, densità di flusso fotonico specifico per le bande blu, verde, rossa e il rapporto Red:Far-Red) sono stati raccolti tramite uno spettrometro portatile.
• Analisi Statistica: Test non parametrici (Kruskal-Wallis, test di Dunn) sono stati utilizzati per i confronti tra i trattamenti, e la correlazione di rango di Kendall ($\tau$) è stata impiegata per valutare le relazioni tra le metriche di ombreggiamento e le variabili fisiologiche.

Risultati Chiave

• Dinamiche di Ombreggiamento: Il trattamento AVS ha esibito un ombreggiamento medio significativamente più alto rispetto all'AVL (76,14% rispetto a 39,45%, $p < 0,0001$). L'AVS è rimasto costantemente ombreggiato durante il giorno (con un picco dell'89,49% nel tardo pomeriggio), mentre l'AVL ha mostrato un ombreggiamento inferiore e più variabile. I trend stagionali sono differiti: l'ombreggiamento AVS è diminuito in settembre, mentre l'ombreggiamento AVL è aumentato, riflettendo l'interazione tra la fenologia solare e la geometria dei pannelli.
• Impatto Radiometrico: La PAR media sotto i pannelli era di 379,53 µmol m⁻² s⁻¹, rappresentando una riduzione del 64% rispetto al controllo a pieno sole (1054,4 µmol m⁻² s⁻¹). Il trattamento AVS ha subito una limitazione fotonica estrema (PPFD $\approx$ 52 µmol m⁻² s⁻¹) rispetto all'AVL (PPFD $\approx$ 1485 µmol m⁻² s⁻¹).
• Correlazioni Fisiologiche:
  • Conduttanza Stomatica ($g_s$): Ha mostrato una moderata correlazione negativa con l'ombreggiamento ($\tau = -0,41$) e una moderata-forte correlazione positiva con il PPFD ($\tau = 0,52$) e le densità di flusso fotonico spettrale.
  • Qualità Spettrale: Il rapporto Red:Far-Red (R:FR) era significativamente più basso in AVS (0,46) rispetto a AVL (0,98), indicando un forte "segnale di ombra".
  • Pattern Diurni: La $g_s$ era significativamente più alta al mattino (lato est) rispetto al pomeriggio (lato ovest), un pattern attribuito a vincoli idraulici diurni e deficit di pressione di vapore piuttosto che alle differenze di ombreggiamento tra i lati.
  • Temperatura: La temperatura fogliare non ha mostrato alcuna relazione significativa con la $g_s$, suggerendo che la variabilità termica non è stata il driver primario del comportamento stomatale in questo contesto.
• Implicazioni sulla Resa: Facendo riferimento ai dati di produzione concomitanti dallo stesso sito, lo studio nota che le viti AVL hanno ottenuto la produttività più elevata. Le viti AVS hanno mostrato una riduzione del 25% nel numero di grappoli e una riduzione del 35% nella resa rispetto a AVL, mentre le viti a pieno sole hanno mostrato riduzioni ancora maggiori, suggerendo un "compromesso ottimale" nel trattamento AVL.

Contributi Chiave

1. Innovazione Metodologica: Il documento presenta un workflow a basso costo e non distruttivo che utilizza l'imaging time-lapse RGB prossimale per derivare metriche di ombreggiamento temporalmente esplicite. Questo approccio va oltre le stime geometriche statiche per fornire dati risolti sul campo sull'intercettazione della luce.
2. Validazione Fisiologica: Lo studio dimostra che le metriche di ombreggiamento derivate dalle immagini sono fortemente correlate con variabili radiometriche e fisiologiche rilevanti per la pianta, specificamente la conduttanza stomatica e la disponibilità del flusso fotonico.
3. Caratterizzazione dell'Eterogeneità AV: La ricerca quantifica il netto contrasto tra l'ombreggiamento ad alta densità (AVS) e l'ombreggiamento intermedio (AVL) all'interno dello stesso layout agrivoltaico, evidenziando come il posizionamento dei pannelli crei microambienti distinti con diverse implicazioni fisiologiche.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo workflow offre uno strumento pratico per il monitoraggio e la gestione di precisione dei sistemi agrivoltaici. Fornendo dati direttamente ed esplicitamente temporali sulle dinamiche di ombreggiamento, l'approccio supporta la valutazione sito-specifica dei microambienti colturali. Lo studio suggerisce che, sebbene l'ombreggiamento ad alta densità (AVS) possa proteggere contro l'irradiazione estrema, può limitare l'assimilazione di carbonio e la resa in colture che amano il sole come le viti. Al contrario, l'ombreggiamento intermedio (AVL) può offrire un equilibrio ottimale, mantenendo la capacità fotosintetica pur mitigando lo stress termico. Il documento conclude che tali metriche basate sull'imaging possono guidare la progettazione dei sistemi agrivoltaici (spaziatura dei pannelli, altezza, orientamento) per meglio adattarsi ai requisiti di luce specifici della coltura, passando dalla modellazione teorica a strategie di gestione empiricamente fondate.